港中大“纳米虫”：基因治疗困境的破局新希望

纳米颗粒介导的细胞内基因递送，是众多关键纳米药物的基石，像在全球预防死亡方面发挥重要作用的COVID - 19信使核糖核酸（mRNA）疫苗，就依托于此。然而，基因递送领域一直面临着一个棘手难题：如何把治疗性基因精准且有效地送达细胞质，并保障其能正常发挥作用。近日，香港中文大学研究团队有了新突破，他们开发出一种名为“纳米虫”的新型虫状核酸纳米结构，为基因治疗带来了安全有效的新途径，相关研究成果已在国际知名期刊《科学进展》上发表。

现有基因递送方法的困境

基因治疗能否成功，很大程度上取决于能否借助纳米颗粒把治疗性核酸顺利送达目标细胞。但目前存在一个主要瓶颈，大多数纳米颗粒进入细胞后，会被困在名为内体的囊泡里。这些内体最终会和溶酶体融合，致使所递送的基因被酶降解。自2019年以来，仅有不到0.04%的已发表研究显示纳米颗粒能有效逃离内体，由此可见，内体滞留问题严重阻碍了基因治疗效果。

目前，用于克服这一障碍的两大主流基因载体是阳离子纳米颗粒和基于脂质的纳米颗粒，不过它们都存在明显缺陷。阳离子纳米颗粒因带正电荷，可能会引发细胞毒性；而基于脂质的纳米颗粒在筛选和工程设计上难度较大，还存在引发炎症反应的风险。

“纳米虫”：突破基因治疗瓶颈的利器

为解决上述难题，香港中文大学工程学院生物医学工程学系的蔡宗衡教授带领研究团队，开发出一种专门为提升内体逃逸能力而设计的新型虫状核酸纳米结构——“纳米虫”。该纳米虫由四至五个直径为40纳米的金纳米颗粒核构成，外面包裹着一层20纳米厚的聚多巴胺壳。每条纳米虫可携带900至1,000条治疗性寡核苷酸，或者约30条治疗性mRNA。

研究显示，“纳米虫”在培养的细胞和动物体内，都能将多种基因，如脱氧核糖核酸（DNA）、微小核糖核酸（miRNA）、小干扰核糖核酸（siRNA）和mRNA，递送至多种类型的细胞中。它能够自然地进入癌细胞、脑内皮细胞、原代巨噬细胞和间充质干细胞等细胞，无需依赖阳离子转染试剂。研究人员进一步发现，“纳米虫”能自然激活氯离子电压门控通道3（ClC3）离子交换体，从而驱动内体逃逸，这在基于纳米颗粒的基因载体中是从未被报道过的新机制。

通过共聚焦显微镜和透射电子显微镜的观察发现，在不同类型细胞中，“纳米虫”都能实现内体逃逸。白色数字代表着内体（绿色）与基因（红色）之间的重合程度，紫色箭头则显示出核酸纳米虫在细胞质中的分布情况。

“纳米虫”展现良好治疗应用前景

目前，“纳米虫”已经展现出良好的治疗应用潜力。它可以实现miRNA介导的巨噬细胞极化、siRNA介导的间充质干细胞分化、基于mRNA的细胞疗法以减轻肾脏纤维化，还能将mRNA递送至肝细胞来治疗肝损伤。在这些应用场景中，“纳米虫”在内体逃逸和疗效方面的表现都优于商业转染试剂。同时，将核酸纳米虫通过静脉注射到小鼠体内后，并未观察到明显的毒性反应，这充分证实了它能够实现安全有效的基因递送。

研究的作者、香港中文大学生物医学工程学系博士毕业生萧宇博士解释说：“这种核酸纳米结构独特的虫状形状，通过调节ClC3离子交换体，极大地增强了其内体逃逸能力，而且纳米结构与内体的重合极少，在基于纳米颗粒的基因载体领域中表现突出。”